利用鄂早１８ Ｇｈｄ７基因型改良扬稻６号生育期效应的研究

杜雪树 夏明元 李进波 戚华雄

摘要：利用生产上广泛应用的早稻（Oryza sativa L.）鄂早18作为Ghd7的供体，优良的中稻恢复系扬稻6号作为轮回亲本，通过回交和自交构建了一系列群体，在分离世代使用与Ghd7紧密连锁的SSR标记RM5436进行分子标记检测，并结合田间农艺性状，得到了一批不同回交世代的株系。最终选择部分农艺性状与扬稻6号相近的株系，考察其抽穗期、株高、有效穗数、穗长、每穗粒数、结实率、千粒重、单株产量（即单株粒重）等一系列农艺性状，评价了Ghd7基因在水稻生育期改良中的效果及对水稻其他农艺性状的影响。

关键词：水稻（Oryza sativa L.）;扬稻6号;鄂早18;Ghd7基因;生育期

中图分类号：S511;S334         文献标识码：A

文章编号：0439-8114（2018）23-0027-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2018.23.006           开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

水稻（Oryza sativa L.）的高产稳产是中国粮食安全的基础，也是育种家不断追求的目标。扬稻6号在农业生产实践当中为粮食生产的增产和农民的增收作出了重要贡献，但是生育期较长是其不可忽视的一个缺點。相对其他品种，更长的生育期意味着更多的农药化肥等生产资料及人工的投入，以及水稻生长后期天气变化带来的风险增加。因此，适当的生育期不但可以降低生产成本，还可以降低生产风险[1]。此外，生育期的变化可以使原品种具有更广泛的种植范围，让不同地域的种质交流更加容易[2]。本研究使用水稻生产上广泛使用的品种扬稻6号和鄂早18，利用分子标记辅助选择技术将鄂早18的Ghd7基因导入到扬稻6号中，通过考察回交群体不同基因类型单株的农艺性状，来评价控制水稻抽穗期和产量性状基因Ghd7在不同遗传背景下的效应，探讨在不同遗传背景下通过导入Ghd7不同等位基因来创新种质资源，扩大育种材料选择范围的可行性，为提高育种水平进行探索。

1  材料与方法

1.1  供试材料

扬稻6号：常规中籼，江苏省里下河地区农业科学研究所选育，于1997年江苏省农作物品种审定委员会审定，2000年安徽省农作物品种审定委员会审定，2001年湖北省农作物品种审定委员会审定。扬稻6号是光温敏不育系和红莲型不育系的恢复系。以扬稻6号为父本配制的杂交稻组合两优培九及扬两优6号均被农业部认定为超级稻品种[3]。

鄂早18：籼型常规早稻，湖北省黄冈市农业科学研究所选育，于2003年湖北省农作物品种审定委员会审定，2005年国家品种审定委员会审定，其稻米品质好、产量高，是湖北省多年来的早稻主导品种[4]。

1.2  遗传群体的构建

2010年夏季开始在湖北省农业科学院粮食作物研究所南湖核心试验场以扬稻6号为父本，鄂早18为母本配制F1杂交组合;2011年春在海南省陵水县提蒙乡以扬稻6号为母本进行回交，形成BC1F1群体，检测单株的Ghd7基因型，其后以Ghd7基因型杂合的单株为母本，以扬稻6号为轮回亲本进行回交和自交得到BC2F5、BC3F4以及BC4F3群体。连续自交时，主要选择抽穗期和其他农艺性状。至2017年夏季，在武汉市检测3个不同世代株系的Ghd7基因型。图1为株系组合配制示意图。

1.3  田间试验

群体材料于2017年5月9日播种，6月9日移栽，31 d秧龄。5行区种植，每个小区60株，5列×12行种植，间距16.5 cm×19.8 cm，单本插。设置2个重复，随机区组种植。田间管理按常规管理。肥料管理：底肥足、追肥早，底肥和追肥比为7∶3。栽秧后，5 d内进行第一次追肥，每公顷追施尿素112.5 kg。每公顷试验田总用氮量为187.5 kg，氮、磷、钾肥配合施用。水分管理：寸水活棵，薄水分蘖，当每公顷茎蘖苗达穗苗的80%时，及时晒田，生育后期田间前水不清，后水不上，收割前一周断水。病虫防治：除特殊要求外，注意防治螟虫、稻飞虱、纹枯病等水稻主要病虫害。

1.4  性状调查

以水稻穗部抽出叶鞘1 cm为标准记录生育期，将生育期及对应株号记录在牌子上并将牌子挂在对应单株上。收获时分单株收获，同时测量并记录对应株高（从地面到最高穗顶部的高度）。收获的单株在挂藏室里阴干后考种，分别考察有效穗数、穗长、每穗粒数、单株粒重、单株干重和千粒重。考种时考察每个单株的所有穗及单穗上所有谷粒。

1.5  DNA的提取

播种两周后，在田间按小区取水稻叶片混样，并提取DNA。水稻基因组DNA的提取采用李进波等[5]改进的CTAB法。

1.6  数据分析

对考种数据使用Excel 2013软件进行统计，对结果进行t检验，分析差异是否显著。

2  结果与分析

2.1  亲本的农艺性状及多态性分析

2017年夏季在湖北省农业科学院粮食作物研究所武汉南湖核心试验场种植对照扬稻6号和鄂早18。扬稻6号播始历期92 d，鄂早18播始历期69 d，其他农艺性状如表1所示。

对得到的株系群体使用Ghd7紧密连锁的标记RM5466进行基因型鉴定，将鄂早18的基因型规定为2，扬稻6号的基因型规定为1，杂合基因型规定为H。同时结合田间农艺性状，选择农艺性状同扬稻6号相近的株系，最终共得到2型株系21个。

2.2  群体单株的抽穗期考察

2017年夏季种植的对照扬稻6号抽穗日期为8月8日，播始历期91 d;鄂早18的抽穗日期为7月17日，播始历期69 d。在这两个时间段内以5 d为一个单位，统计每5 d抽穗株系的数量。

由表2可知，在21个扬稻6号（Ghd7-EZ18）株系当中，抽穗最早的株系其播始历期为76 d，但与抽穗期早的对照鄂早18的69 d播始历期仍有7 d的差距，这说明将扬稻6号中的Ghd7替换为鄂早18中的等位基因后确实可以使改良后的扬稻6号（Ghd7-EZ18）株系的抽穗提前，但与先前设想的同鄂早18的播始历期差异较大。在时间分布上，播始历期在75～80 d和81～86 d这两个时间段的株系较多，均有8个，而余下的5个株系的播始历期则在87～91 d，该时间段偏向扬稻6号抽穗期。这说明Ghd7对水稻生育期的影响不是独立的，在扬稻6号的遗传背景下，应该存在另外控制着水稻抽穗期或与Ghd7互作的QTL。

由图3可知，扬稻6号（Ghd7-EZ18）株系中的1个株系（C1312）同对照扬稻6号的抽穗期进行对比，表现了扬稻6号（Ghd7-EZ18）株系同对照扬稻6号之间播始历期的差异。在图3A中，株系C1312的穗部基本抽出时，扬稻6号仍处于营养生长阶段，尚未抽穗;在图3B中，扬稻6号穗部刚开始抽出时，株系C1312已经结束灌浆，进入蜡熟期。

2.3  不同株系的农艺性状考察

在不同株系各小区的边行和中间行分别取5个单株，视作2个重复，考察株高、有效穗数、穗长、每穗粒数、结实率等农艺性状，并计算其单株日均产量及经济系数，考种结果见表3、表4。

由表3可知，在扬稻6号背景下将Ghd7置换成鄂早18基因型后，扬稻6号（Ghd7-EZ18）株系平均株高同扬稻6号相比，下降了2.6%～19.4%。在21个扬稻6号（Ghd7-EZ18）株系当中，其平均有效穗同对照扬稻6号相比，有3个显著减少，有7个显著增加，有11个变化不明显。有8个株系穗长同扬稻6号无显著差异，有13个株系穗长显著变短。有13个株系同扬稻6号相比每穗粒数明显变少，7个株系无显著差异，1个株系明显增多。21个扬稻6号（Ghd7-EZ18）株系当中，有1个株系的单株产量显著增加，7个株系没有显著差异，13个株系的单株产量显著下降。同扬稻6号相比，9个株系千粒重下降，11个株系千粒重基本持平，1个株系千粒重显著增加。

2.4  特殊单株的抽穗期

在田间选育的过程中，发现8株特殊单株，其中4株是BC4F3，2株BC3F4，2株BC2F5。将这8株特殊单株按照其播始历期的长短，分别命名为A、B、C、D、E、F、G、H。由表4可知，单株A、B、C的Ghd7基因型和扬稻6号相同，但其播始历期同扬稻6号相比早了8～9 d;剩下的5个单株的Ghd7基因型同鄂早18的基因型，但其播始历期却比扬稻6号要长。这说明抽穗期的决定是一个复杂的调控，受遗传背景的影响。

3  讨论

3.1  Ghd7对水稻抽穗期的影响

研究[6-10]表明，根据表达和蛋白质序列将Ghd7的等位基因划分为5类，发现其和当前生产上常见的一些主栽品种在地域上存在对应关系。第一类Ghd7-0a，对应中国东北地区的水稻品种，如牡丹江8号、合江19等。这类等位基因是Ghd7发生了无义突变，使其编码的蛋白质提前终止。性状表现为水稻抽穗期较短，在地域上适应北方夏季较短的地区种植。第二类Ghd7-0，对应中国南方双季稻区品种，如珍籼97和南雄早油等一些早稻品种或不育系，其在这些早稻品种基因组Ghd7的区段上完全缺失，使得这些材料生育期变短。虽然在本研究中对鄂早18没有进行测序，但从PCR扩增及薛为亚[6]的研究来看，鄂早18应当是划分到这一类中。第三类Ghd7-1，其代表品种是明恢63，对应南方稻区晚中籼稻及热带亚热带地区生育期长的品种，扬稻6号即属于这一类。第四类Ghd7-2，对应华北同纬度地区水稻品种，多数为粳稻，基因效应较弱。第五类Ghd7-3，目前只在特青中发现，对抽穗期的影响比Ghd7-1更大，可能是人工选择得到的。

3.2  Ghd7对水稻产量的影响

水稻单株的产量由每穗粒数、有效穗数、结实率和千粒重构成。提高水稻单位面积产量需主要从这4个方面着手[11]。但在育种实践过程中的困难在于水稻各个产量相关性状之间呈负相关。在本研究中发现，将扬稻6号中的Ghd7区段替换为鄂早18中的Ghd7区段后，所得株系的单株产量同扬稻6号相比，并未显著降低。在21个扬稻6号（Ghd7-EZ18）株系中，有1个株系的单株产量显著提高，7个株系的单株产量同扬稻6号相比没有显著差异，13个株系的单株产量显著下降，这说明Ghd7并不是影响水稻产量的惟一限制因子。通过分子标记辅助选择结合田间人工选择，完全可以选择得到生育期缩短，但产量不下降的品系。

3.3  Ghd7在水稻遗传育种中的应用前景

本研究认为，Ghd7在水稻遗传育种中的应用前景主要体现在以下几个方面：

（1）改良后的水稻品种具有更广泛的适应性。中国水稻种质范围广泛，北至黑龙江，南至海南均有种植。根据气候条件、耕作制度以及适宜种植的品种类型，可将全国水稻的种植区域划分为东北早熟单季稻区，华北单季稻区，西北单季稻区，华中单、双季稻区，西南双、单季稻区和华南双季稻区这六大稻区[12]。水稻的抽穗期是决定水稻品种地区与季节的重要农艺性状。将Ghd7不同的等位基因置换到不同的水稻品种当中，可以通过改变原品种的抽穗期扩大其适应范围。本研究中将鄂早18中的Ghd7导入扬稻6号，使得原扬稻6号的抽穗期提前，一方面可以把改良的扬稻6号当作早稻种植，另一方面也可以把改良后的扬稻6号种植到原来不适宜种植的地区。从产量上看，改良后的扬稻6号（Ghd7-EZ18）产量并不一定下降。同样的，若将扬稻6号中Ghd7的等位基因置换到鄂早18中，那么改良后的鄂早18则可以作为中稻种植，產量相对原鄂早18可能会得到提高。笔者在进行本研究的同时也将扬稻6号中的Ghd7片段置换到鄂早18中，但从2015和2016年田间种植情况来看，置换了扬稻6号Ghd7片段的鄂早18结实表现异常，结实率只有60%～70%。这可能是扬稻6号中的粳稻血缘导入早籼鄂早18后，另一种形式的籼粳杂交所造成的。

（2）扩大种质交流的范围，为种质创新提供了新思路。杂种优势理论认为，亲本间的亲缘关系越远，杂种优势就越强[13]。在当前水稻育种实践中，杂交稻育种已经达到了一个很高的水平，主栽品种的亲缘关系愈发接近。以长江中下游地区杂交中稻为例，当前生产和育种中所使用的骨干亲本多数具有扬稻6号的血缘。亲本材料的同质性，一方面使得选育高产优质的杂交水稻品种更加困难，另一方面也更加凸显出种质创新的重要性。如上所述，通过将Ghd7不同的等位基因置换到不同的水稻品种中，改变原品种的抽穗期使得其种植地域更加广泛，种植季节也得以扩大。这就使得原来被地域或季节所阻隔的品种间得到了种质交流的机会。在本研究中，经过改良后的扬稻6号抽穗期提前，可以当作早稻种植，这种全新的途径为早稻育种提供了优质的种质资源。

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